貴州天柱重晶石回轉窯還原焙燒生產工藝研究

閻振宗，王 東

（1.河北辛集化工集團，河北石家莊052360；2.長沙礦冶研究院有限責任公司）

中國是當今世界上重晶石資源最豐富的國家，探明儲量列世界第一， 同時也是世界重晶石的主要生產國和出口國。 貴州省是重晶石礦資源豐富的省份，探明儲量為1.24 億t，經開采后的保有礦石儲量占全國總量的34%，排名第一位［1-2］。 全世界重晶石礦產資源主要集中在中國， 而中國的重晶石資源又以貴州省天柱縣為最。天柱縣自然資源得天獨厚，蘊藏有多個特大型重晶石礦床，礦石品位高，是中國最大的重晶石生產基地。

為徹底改變重晶石礦開采利用過程中存在的資源浪費嚴重的問題，按國家“十一五”期間發展循環經濟、建設節約型社會的倡導和要求，貴州天柱化工有限責任公司與長沙礦冶研究院合作， 由公司投入資金對重晶石回轉窯還原焙燒回收利用技術進行研究開發，針對貴州省的重晶石礦資源，應用國內先進的還原焙燒—浸出技術，進行小試、中試，并將科技成果運用到大批量的生產中， 實現重晶石礦資源利用技術的整體提高，達到合理利用資源的目的。

1 工藝研究

1.1 試驗原料

試驗用重晶石原料由貴州天柱五洲化工有限責任公司提供，重晶石粒度為0～12 mm；重晶石中主要成分鋇質量分數為48.96%，硫質量分數較高為10.99%，碳質量分數較低為0.16%，其他成分質量分數為39.89%； 重晶石中鋇主要以硫酸鋇形式存在，占80%，少量以碳酸鋇形式存在，占2.60%。 還原焙燒燃料為粉煤和粒煤，粉煤粒度＜74 μm，粒煤粒度為0～8 mm，其成分分析結果見表1。

表1 燃煤成分分析Table 1 Composition analysis of coal

1.2 研究方法

以重晶石為原料， 窯頭拋煤和窯尾配煤作固體還原劑，配入回轉窯中開展重晶石還原焙燒研究。焙燒過程中，回轉窯窯頭粉煤為主要加熱燃料、窯頭拋煤為輔助供熱。 窯尾粉礦倉的粉礦和粉煤倉的還原煤分別用定量給料機按煤18%～20%的比例混合配料，經膠帶輸送機給入回轉窯內進行還原焙燒。加熱用的粉煤和一次空氣從燃燒系統噴入窯內進行燃燒。 同時，從窯頭拋入加礦量4%～6%的煤作為輔助供熱及還原。在窯身裝有3 臺窯背風機，鼓入二次空氣使得未燃燒的粉煤繼續燃燒以加熱礦石。經150～180 min 的還原焙燒后的成品焙燒礦通過排料漏斗直接進入料盅，運至浸出車間進行粗鋇浸出，浸出的合格液進入后續碳化工段，浸出渣運至渣場。回轉窯排出的煙氣經余熱鍋爐熱交換， 產出蒸汽用于加熱濃鹵和稀鹵， 煙氣再經過電除塵器除塵和水膜收塵后進行煙氣脫硫， 煙氣含塵濃度和脫硫達標后由引風機送入60 m 煙囪排入大氣。回轉窯還原焙燒重晶石礦詳細工藝流程見圖1。

圖1 回轉窯還原焙燒重晶石工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of reduction roasting barite in rotary kiln

1.3 試驗主要設備

試驗使用的設備主要包括回轉窯、熱風機、余熱鍋爐、電除塵器、脫硫塔、鍋爐引風機、煙囪等。

2 結果與討論

貴州天柱縣周圍重晶石礦分布廣泛， 貴州天柱化工有限責任公司多年從事鋇鹽生產， 由于本廠原礦致密度高，且礦石耐火度不一致，所以在回轉窯焙燒時窯內的還原氣氛直接影響到粗鋇轉化率。 由于礦石復雜、耐火度不同，所以焙燒溫度、拋煤等工藝參數的選擇和控制， 都將影響到整個生產系統能否順利運行和取得良好技術及經濟指標。

2.1 焙燒溫度對還原效果的影響

還原焙燒溫度是影響重晶石還原焙燒效果的主要因素。 由于焙燒溫度低于700 ℃重晶石還原反應幾乎不進行［3］。 溫度越高反應速度越快，但溫度高于1 200 ℃反應速度并不會加速遞增，反而會造成窯尾煙氣溫度升高，耗費能源燃料。回轉窯焙燒溫度要平衡回轉窯的還原煤中灰分和礦石雜質開始軟化的溫度，否則，會造成回轉窯內物料熔融，甚至結圈，結圈不斷增大會引起窯尾返料，直接影響產品回收率，甚至停窯［4-5］。 在生產過程中，熱電偶測得的物料溫度要低于實際料溫，因為熱電偶不是直接埋入料層中，熱電偶加了保護套管， 本文只以儀表顯示溫度作為結果考查。 綜合考慮，在處理量為15 t/h、轉速為0.2～0.4 r/min 條件下進行焙燒溫度試驗， 焙燒溫度試驗范圍在1 000～1 250 ℃。

焙燒溫度試驗結果見表2。 從表2 可知，工業試驗焙燒溫度從1 000 ℃到1 250 ℃， 粗鋇浸出率達91.30%。 生產結果表明，提高回轉窯焙燒溫度能加速碳的氣化反應和硫酸鋇的還原反應， 加速礦石中BaSO4向BaS 轉化，但是溫度過高礦石中BaSO4會與雜質Al2O3、SiO2、Fe2O3以及過程中生成的Fe3O4和FeO 發生反應，生成硅酸鹽（BaSiO3、BaSiO4）、鐵酸鹽（BaO·Fe2O3）和鋁酸鹽（BaO·Al2O3）等物質，這些物質在高溫時極易熔融結塊， 阻礙重晶石的還原反應，使焙燒好的粗鋇中硫化鋇含量降低而浸出渣量增大， 更嚴重時會形成回轉窯結圈， 甚至導致停產。從延長生產周期和提高經濟效益角度考慮，應盡量減輕回轉窯結圈的生成。 還原段溫度儀表顯示大于1 200 ℃，極易形成結圈，且不容易脫落。

表2 焙燒溫度試驗結果Table 2 Test result of roasting temperature

貴州天柱重晶石礦石回轉窯還原焙燒要求高溫區溫度為1 050～1 200 ℃，礦石在高溫區停留時間為150～180 min，在高于1 250 ℃條件下操作，短時間內可獲得較高粗鋇轉化率， 但極易造成過燒結礦反而降低粗鋇浸出率，大大降低鋇的收率；窯頭焙燒料出窯溫度控制在700～900 ℃為宜， 溫度過低將存在欠燒現象（粗鋇轉化率低），溫度過高將出現礦石熔融現象（形成礦石包裹，粗鋇轉化率降低）；窯尾溫度控制在500～600 ℃最佳。 實際生產中根據具體礦石來調整窯內溫度場分布。

2.2 拋煤對還原效果的影響

拋煤裝置是回轉窯還原焙燒提高產能、 節約還原劑及燃料的有效裝備， 可達到有效控制還原性氣氛、延長高溫帶、提高產能、節約還原劑及燃料的目的。 拋煤裝置系統由煤倉、拋煤羅茨風機、定量給料機、拋煤槍、下料溜子、管閥等組成。 拋煤羅茨風機的風量根據拋煤量大小和還原焙燒情況進行調控。圖2 是拋煤工藝設備聯系圖。

圖2 拋煤工藝設備聯系圖Fig.2 Equipmentconnectiondiagramofcoalthrowingprocess

從表3 可以看出， 回轉窯還原焙燒重晶石礦處理量可達16.80 t/h，開窯周期為70 d，周期內作業率為95%。 與國內其他類似生產工藝比較，貴州天柱化工有限責任公司重晶石礦回轉窯還原焙燒的熱耗可以控制在（700±10）萬kJ/t，噸礦耗煤289.79 kg。理論計算貴州天柱重晶石礦焙燒熱耗為520.97 萬kJ/t，通過分析得知焙燒料（即粗鋇）殘炭量為5%，因此在生產過程中的熱耗和處理量還有一定的潛力可挖。

在φ3.2 m×60 m 回轉窯裝備上進行現場生產工業試驗，從試驗結果顯示，相比原有鋇鹽回轉窯焙燒裝置的產能提高20%、粗鋇轉化率由原來的60%提高到了70%、配煤由200 kg/t 降至約190 kg/t，在提高礦石回收率的同時降低了能耗， 拋煤工藝可以加強窯內還原氣氛， 提高產能， 實現了資源的高效利用、節能降耗，為企業帶來顯著的經濟效益。

回轉窯還原焙燒采用從窯尾（給料端）配入煤和窯頭（排料端）拋入煤相結合的方式進行還原煤給入，能夠有效延長反應高溫帶，大大增加了回轉窯處理量，可以保證合理的窯內溫度場分布、保持弱還原性氣氛以及提高產能， 同時降低了單位能耗和單位成本。具體生產操作中，當窯內溫度升到800～950 ℃時，窯尾開始加入礦石和煤的混合料，投料1 h 時，從窯頭開始拋煤，窯內溫度迅速升高，高溫帶拉長；1 h 后距離窯口1/2 窯身長處溫度達到1 100～1 200 ℃，還原焙燒高溫帶長度為20～40 m。

2.3 還原焙燒熱耗的控制

在2017 年7 月4 日17:08 開始投料至2017 年9月18 日18:00 停產檢修， 在這段期間內生產統計數據顯示：與原有還原焙燒工藝相比，采用拋煤工藝及裝置使原有鋇鹽回轉窯焙燒的產能提高20%、粗鋇轉化率由原來的60%提高到70%、窯尾配煤由200 kg/t 降至約190 kg/t，整個生產過程中燃料入窯熱耗達到706.57 萬kJ/t，詳見表3 貴州天柱化工有限責任公司重晶石礦回轉窯還原焙燒能耗指標。

表3 重晶石礦回轉窯還原焙燒能耗指標Table 3 Energy consumption index for reduction roasting in rotary kiln of barite mine

3 結論

1）貴州天柱重晶石礦石回轉窯還原焙燒高溫區溫度在1 050～1 200 ℃可獲得較好的粗鋇轉化率，焙燒溫度過高極易造成過燒結礦反而降低粗鋇浸出率，大大降低鋇的收率。2）重晶石礦還原焙燒對窯內氣氛要求高，需要強還原氣氛，采用拋煤工藝對重晶石礦還原效果顯著。采用拋煤工藝及裝置，使原有鋇鹽回轉窯焙燒的產能提高20%、粗鋇轉化率由原來的60%提高到70%、配煤由200 kg/t 降至約190 kg/t，在提高礦石回收率的同時降低了能耗， 拋煤工藝可以加強窯內還原氣氛，提高產能和粗鋇轉化率。3）采用φ3.2 m×60 m 回轉窯還原焙燒處理貴州天柱重晶石礦，處理量可達到16.80 t/h，焙燒礦石及生產碳酸鋇考核指標合格， 對合理利用中國儲量巨大的重晶石礦資源具有重要的現實意義， 為提高重晶石礦利用率和節能減排開辟了新的有效途徑。